【高压线巡检无人机技术的发展研究文献综述4600字】

高压线巡检无人机技术的发展研究文献综述1.1巡检无人机应用背景随着国家社会的不断进步发展，整个社会的用电需求都在不断提升，为满足社会用电需求，我国电网的规模也日渐壮大。截止到2020年，我国高压线路总长度已经，位居世界第一位，我国已经成为世界上电网发展的绝对引领者。超高压及特高压输电已成为我国远距离传输的主要方式，且线路总里程每年都在快速增长。我国国土面积辽阔，输电线路常常会经过地理环境复杂与天气情况恶劣的区域，输电线路及供电设备长期暴露在野外，本身就会产生不同程度的老化，并且很多线路和设备不可避免地会受到极端天气例如大风、冰雪等的影响，很多部件就会产生磨损、腐蚀等损伤，因此定期的电力线路以及设备地定期巡检十分必要。传统的电力巡检由人工来完成，工作人员需要对线路设备按时巡检，需要爬上塔杆，检查绝缘子、线夹等设备的状态，如图1.1所示。图1.1人工高压电缆巡检人工巡检存在很多弊端：第一，人员安全问题，输电线路的电压等级基本都达到几十万伏特甚至更高，而且塔杆高度都达到了几十米甚至上百米，巡检人员的安全很难保证；第二，人工巡检存在盲区，由于电力线路有时会经过山川峡谷等复杂地带，而且有时还会有积雪，使得有些线路和设备巡检人员甚至很难达到，留下一些巡检的盲区，这会给电网的安全运行留下隐患；第三，人工成本高，巡检效率低。由于线路塔杆数量巨大，需要大量的技术人员，造成人力成本过高，人员常常需要爬上上百米的塔杆，并且需要检查设备，巡检一个塔杆可能需要数小时，巡检效率很低。随着当前社会水平的进步，四旋翼在电路巡检中的应用场合也越来越多[1]，如图1.2所示，无人机可以搭载摄像头模组，红外线以及电流探测仪等多种探测设备以及传感器，在地面工作人员的远程控制下，通过拍摄多种图像来采集输电线路及设备的状态信息，并且将多种图像实时返回地面，经过研究人员的分析和筛选找到设备的损伤和缺陷，对其针对性检修，节省工作时间。无人机巡检可以大大提高其效率，节省时间与精力，对于工作人员无法达到的高度，无人机可以轻松到达。图1.2无人机高压电缆巡检巡检无人机的主要应用场景是在具有一定危险或恶劣天气的电力工作中，代替工作人员从具有危险系数的操作。1.2国内外发展现状由于无人机可以轻松达到空中，所以在高空巡检方向具有先天性优势，但是无人机属于一个比较难的系统，电网配电线路常常建立在野外，环境复杂。对于这个全新的方向，存在很多困难与技术壁垒需要打破。空中与地面上的情况不同，同时可能伴随者电磁干扰、大风，环境更加复杂，对于巡检无人机而言，由于是在高空工作，则需要更强的抗干扰能力，需从抗干扰方向进行进行精心设计，硬件结构要适应空中的复杂环境。在一些西方国家，通常他们的发展水平已经较高，已经实现了通过无人机进行作业。在上世纪末，英国的威尔士大学已经开始开始巡检无人机的研发，得益于他们良好的工业基础，硬件已经达到了较高水平，选择直升机为平台，进行了程序方面的研发。日本千叶大学通过研究直升机巡线，使用机器视觉对故障进行分析，查找输电塔杆存在的缺陷。如图1.3为国外研制的巡检无人机[3]。图1.3国外无人直升机巡检与国外的无人机研究相比，我国的工业起步较晚，我国的研究方向主要在路径规划或者避障功能方面。在我国，智能化巡检无人机的应用还处于空白区，目前只有少数的一二线城市采用这种方法进行巡检。但是目前应用的巡检无人机还存在诸多问题，我国幅员辽阔，巡检无人机需要满足不同的地域状况，所以巡检无人机在我国实用性并不强，难以大范围推广，需要提高经济属性才可以更好的发展。北理工的无人机着重于在避障功能的研究，在双目机器视觉的基础上，迭代更新了三目视觉算法，并且加入了目标检测，大大减少了工作量提高了工作效率。山东电力针对四旋翼在工作时的避障需求，采用高精度雷达对四旋翼四个自有方向进行实时监测，在于青海省电力公司共同进行了高海拔地区的实验[4]，为实现高海拔地区的无人机巡检打下了基础。图1.4为山东电力公司所研发的人与无人机协作工作图片。图1.4山东电力公司无人机协作作业但是，我国现有无人机，因为其核心部件没有自主产权，仅支持人工遥控控制，在成本方面也有极大的问题，巡检速度慢效率低下，巡检能力、电池能力、以及稳定性亟待改善，在复杂情况下，通信稳定性、抗干扰、远程控制方面以及操作可靠性也需要改善，需要进行更为细致的研究。1.3巡检无人机关键技术1.3.1无人机平台选定世界上现存的无人机大致通常分为三类：固定翼无人机、直升机和多旋翼无人机，以下从各个方面列举其优势与劣势。（1）固定翼（fixedwing）无人机[5]，平时常见的客机如播音747、战斗机如歼-20也都是笃定义务人及，但是他们都是载人飞机。固定翼的含义就是在飞行过程中，飞机的机翼有固定的形状，不随之改变，飞机通过机翼与空气的相互作用的力产生向上的升力，飞机的实际姿态与自身朝向主要由螺旋桨提供动力，主要由喷气式或者涵洞类的无人机系统动力，从动力类型角度又可分为喷气式发送机与螺旋桨类发送机，此处不做深究。固定翼的优点在于飞行时需要克服的阻力很小，所以相对来说续航时间更长，且远距离飞行效率高，载重更大；但是其缺点也很明显，固定翼发动机在起飞过程中不能直接提供向上的升力，必须在有水平速度时才能获得升力，所以这就要求在起飞和降落过程中提供一段地势平坦的跑道，对环境要求较高，在遇到恶劣天气时常常被禁止飞行，在工作过程中也不能也无法做到定点悬停。（2）直升无人机（helicopter）是最常见的飞机类型，直升机通过头部的主旋翼转动提供上升的力[6]，直升机尾部的小型旋翼主要用来施加力量与主旋翼导致的陀螺效应相互抵消，直升机在前进时，整个面是向前的，其产生的升力必然不是垂直向上，倾斜的升力和直升机本身的重力的合力方向为飞机的飞行方向，改变主旋翼平面的机械装置非常复杂。直升机的优点是相比于固定翼无人机它可以悬停与原地垂直起降，因为其体积相对较大，直升机通过搭载热能发送机，具有比较高的载重能力，并且续航能力也处于中上等水平，但是直升机由一个很明显的缺点，那就是直升机的机械件相对复杂，成本很高，维修困难。（3）多旋翼无人机（multi-rotor）[7]，通常来讲，这种无人机主要由多个可以提供升力的旋翼，本文主要研究的四旋翼。多旋翼无人机同样可以实现垂直起降，但是学术界没有将无人机与直升机合为一体统一作为一种无人机类型。旋翼类无人机没有类似于直升机发杂的机械装置，具有很简单的结构，每个单独的桨叶都固定在机臂的末端，四旋翼的姿态控制与直升机相差不大，主要通过改变四旋翼本身的倾角进行运动，四旋翼的优点也相当明显，可以支持原地起飞降落，而且维护相对方便，但是机械结构带来的便利性也导致飞机的控制算法较复杂。综合以上三种常见类型的无人机，在高电压作业的实际运用中，最优选择为四旋翼无人机，四旋翼无人机可以定点悬停，实现为机械手作业提供稳定的平台，实现定点作业，并且在搭载摄像头后，可以获得稳定的视频数据。相比于直升机，在机械结构发生损坏时，更换电机等配件更加方便，具有很高的维护性与经济性。四旋翼无人机仍然具有较强的载荷，可以搭载部分配件。所以本课题选用四旋翼无人机作为主要开发平台。通信方式稳定的双方通信是无人机飞行的最基本要求，使用电脑或者遥控器控制无人机，遥控器数据改变后，无人机实现姿态改变，定位，图像传输等功能，由此可知，合适的通信方式是无人机稳定通信的前提条件。在图像传输中，由于无人机飞行高度较高，有线相当复杂，所以只可以选择无线通信，不过无线通信种类繁多，根据传输距离、传输速率、传输稳定性又可分为很多类型，无线通讯的类型各有优缺点，常见的无线通信方式种类的对比如下表1.1所示，在对巡检无人机的研究中，将在下列器件选型中详细阐述。表1.1无线通信方式对比表种类ZigBee协议蓝牙协议Wi-Fi协议移动通信传统数传电台单点覆盖距离50．0~150.0m10.0m50.0m几公里可达6公里网络扩展性自动扩展无无依赖现有运营商无复杂性简单复杂非常复杂复杂复杂传输速率250kbps~1Mbps1Mbps~5Mbps1~11Mbps38.4kbps一般19.2kbps频段868Mhz~2.4GHz2.4GHz2.4GHz0.8~1GHz400MHz~2.4GHz网络节点数65000850移动基站无联网所需时间约30毫秒数十秒约3秒约3秒无终端设备费用低低高较高高有无网络使用费无无无有无集成度和可靠性高高一般一般低使用成本低低一般高高安装难易程度非常简单一般难一般难1.3.3高压线路故障定位以及无人机定位线路发生故障时，人们需要故障发生的集体地点。大多数使用视觉进行故障检测，在发生故障后，会产生异常热量，异常噪音等现象。常常使用GPS作为无人机定位，其次就是通过巡检无人机的准确位置，得以判断故障发生的大致范围。在无人机上，常用的定位方法有两种，一种是UWB定位技术[9]，另一种是GPS定位系统[10]。UWB定位全称为超宽带定位技术，具有厘米级的定位技术，UWB定位需要使用基站进行标定，在进行准确定位前需要安装辅助定位器，在无人机室外高空作业的环境中，具有很大的空间局限性。对于GPS而言，GPS定位为室外最常用的定位，但是民用GPS定位精度远低于军用GPS定位，所以无人机在使用GPS定位时，通常需要结合其他定位功能或者使用算法优化定位准确率。关于无人机精准定位的技术，仍需要寻求更好的方案。参考文献[1]徐梓祺,邢华宁,卢镇成,戴创昆,甘睿科,高远.城市地下综合管廊的巡检无人机设计[J].科学技术创新,2021(04):134-135.[2]太原市人民政府办公厅关于印发太原市城乡管理“十三五”(2016-2020年)规划的通知[J].太原市人民政府公报,2018(03):9-30.[3]L.M.González-deSantos,J.Martínez-Sánchez,H.González-Jorge,M.Ribeiro,J.B.deSousa,P.Arias.PayloadforContactInspectionTaskswithUAVSystems[J].Sensors,2019,19(17).[4]郑天茹,王滨海,张晶晶,陈西广,王骞,刘俍.适用于高海拔地区输电线路巡检的无人机测试[J].山东电力技术,2013(04):22-25.[5]史兴隆.基于Pixhawk飞控板的固定翼模型飞机控制技术研究[D].北方工业大学,2016.[6]凌庄怀.中航直升机公司民用直升机发展的策略思考[D].厦门大学,2014.[7]薛亮.多旋翼无人机飞行控制系统设计与实现[D].南京航空航天大学,2016.[8]王鑫,郭书军.物联网综合实训系统设计[J].物联网技术,2021,11(02):116-117+120.[9]徐宝军,李新海,曾令诚,肖星,范德和,闫超,罗海鑫,罗其锋.基于UWB定位的变电站三维可视化作业监控系统研究[J].电力信息与通信技术,2021,19(02):29-35.[10]杜壮波,鲍爱达,马游春,张泽宇.基于GPS的定高引信系统设计[J].计算机测量与控制,2021,29(02):171-175.[11]冯云龙.朔州市人民代表大会常务委员会工作报告[N].朔州日报,2018-04-12(002).[12]赵鑫.经济转型期朔州市城市规划策略研究[D].太原理工大学,2014.[13]姜志栋.朔州市经济发展战略研究[D].辽宁工程技术大学,2006.[14]马耀锋,魏富豪,杨洪彩.基于四旋翼飞行器的巡线机器人设计[J].电子制作,2020(Z1):16-20.[15]石盼,雷英栋,何东伟,徐博铭.基于HID的STM32离线下载器的设计[J].机电一体化,2017,23(01):53-56+72.[16]韩旭东.开源控制遥控器设计原理与优点分析[J].科技经济导刊,2016(03):34.[17]李位星,王大东,葛声扬,潘峰.基于STM32的四旋翼无人机实验教学平台[J/OL].实验技术与管理,2021(02):91-94+99[2021-03-10].[18]任先文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